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创建时间:05-18

智能脱扣器的设计

课题主要内容和要求

设计一套配有微处理器程序控制的人工智能脱扣器。要求具有保护功能,实时监控电流、电压、故障、显示并报警;过载预报警;并对电参数进行测量。
四、研究方法、步骤和措施
(一) 设计原理
    低压断路器在供配电系统中重要作用是对线路中的过载、短路、和接地等故障进行保护,它通过检测单元获取主线路的电流、电压信号、经脱扣器的逻辑控制单元分析判断后发出信号控制断路器的动作。
    智能脱扣器的设计也是基于这一原理,但其逻辑控制单元由高性能的单片机及其外围电子电路组成,检测单元由空心互感器和信号处理电路组成。它具有传统脱扣器无法比拟的特点:控制信号准确可靠、实时显示电流值、随时设定动作电流和动作时间、存储故障信息、预报警、联网通信等。原理框图如图1所示。
 
图1 智能脱扣器原理图
(二) 工作原理
互感器检测供电线路中的电流并将其转换为数字电路和单片机可处理的电平信号,经隔离后进入采用和保持电路,经滤波、放大等出路后送人微处理器,微处理器内带A/D转换单元将模拟信号转换为数字信号,供CPU进行逻辑运算与处理;各种故障保护的动作电流和时间的整定值通过键盘设定并存于串行EEPROM中(掉电不丢失);CPU将检测到的电流信号与整定值比较,判断是否脱扣。若脱扣,则确定动作时间并发控制信号及报警信号,显示故障电流和故障类型,否则,脱扣器刷新显示,并进行自诊断和环境温度检测。
(三) 断路器智能化技术的构成
    断路器的智能化是将微电子技术和计算机技术引入断路器将使之对运行工作状况的变化具有一定的自动识别、控制和执行的能力,其智能技术主要包括以下几个方面。
(1)检测单元
    传统断路器的检测单元为电磁机构,将供电回路中的电流转换为磁通信号并驱动操作机构,这种机构存在一定缺点,如动作时间长、精度低、整定不方便,而智能型断路器的检测单元为空芯互感器,并结合微电子技术将供电回路中的强电流转换为适合电子电路和单片机处理的电压和电流信号为智能脱扣器的信息处理单元提供正确的信号以实现最佳的实时控制.检测部分在选择元件时必须注意其转换精度、灵敏度、可靠性、频率响应、测量范围及抗干扰能力等,这一环节对微处理器作出精确的判断起到重要作用。
(2)信息处理
    信息处理是断路器智能系统的核心,作为断路器的大脑,须对线路及环境中的各种因素进行综合,在不同的条件下作出正确的判断和决策,由CPU发出控制信号触发操作机构,这就需信息处理单元根据检测机构传来的信号分析处理,自动选择是发出瞬动信号、延时信号还是报警信号,实现对断路器的智能控制,并将电流值和故障信息传给显示单元。
(3)执行分断
    断路器的主要任务即是按着供电系统的保护要求切断供电线路,能否可靠、及时分断线路是衡量接触器性能的一个关键指标。智能控制技术和微电子技术的引入将使传统的断路器执行分断的能力得到很大改善,一方面对断路器可实现实时控制分断,另一方面实现对延时的精确控制。
(4)抗干扰
    由于断路器工作在较为恶劣的电磁环境中,因此脱扣器的抗干扰能力在很大程度上决定断路器能否正常工作和其动作的准确性和可靠性。强干扰会使系统监控程序失控,脱离正常的执行顺序,甚至发出错误的控制信号,造成断路器的错误动作。本设计中将采用软、硬件相结合的抗干扰技术,在硬件设计中采用电源滤波技术、屏蔽技术、隔离技术、接地技术等,软件设计上采用数字滤波技术、软件陷阱、空指令、WATCHDOG等技术,实践表明这些技术保证了脱扣器可靠、准确的分合断路器。

目录
摘要    I
Abstract    II
第1章  绪论    1
1.1 脱扣器概述    1
1.2 智能脱扣器的现状及发展趋势    3
1.3 设计课题及技术要点    3
1.4 课题研究目的及意义    4
第2章  系统总体设计    5
2.1 设计目标    5
2.2 本课题主要工作    5
2.3 设计原理与工作原理     5
第3章  系统硬件设计    7
3.1 电压互感器﹑电流互感器的选择及计算    7
3.2 电参量的计算原理    8
3.3  微处理单元    9
3.3.1 微处理器的选择及模块设计    10
3.3.2 采样模块设计    12
3.3.3 键盘输入模块设计    14
3.3.4 液晶显示模块设计    15
3.3.5 键盘显示电路    16
3.4 保护特性    17
3.4.1 智能脱扣器的保护动作特性    17
3.4.2 过载保护    18
3.4.3 短路保护    19
3.4.4 接地保护    20
3.5  A/D转换单元    21
3.5.1  AD574性能特点和工作时序    21
3.5.2 与A/D转换相关的寄存器    23
3.5.3 显示输出单元    25
3.5.4 模拟脱扣和接通分断    26
3.5.5 脱扣输出单元    27
3.6 环境温度检测单元    27
3.7 电路设计    28
3.7.1 脉宽检测电路    29
3.7.2 积分电路    30
3.7.3 隔直滤波电路    31
3.8 负载监控    32
3.9 智能脱扣器的自诊断    32
3.10 时钟电路模块    32
第4章  系统软件设计    33
4.1 软件系统的总体设计    33
4.1.1 FFT算法    33
4.1.2 FFT算法的改进    33
4.2 初始化子程序    35
4.2.1 定时器初值的设定    36
4.2.3 定时器T0的设定    37
4.3 过流判断与过流处理子程序    37
4.4 短路判断子程序    39
4.5 中断子程序    40
4.5.1 中断子程子流程图    40
4.5.2  INT0中断子程序    41
4.5.3 中断子程序执行过程    42
4.6 电压﹑电流有效值子程序    42
4.7 报警子程序    45
4.8 串行通信子程序    45
4.9 显示子程序    47
第5章  可靠性与抗干扰设计    49
5.1 可靠性设计    49
5.2 抗干扰设计    50
结束语    52
参考文献    53
致  谢    54

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